D DV

Regenerative Energiesysteme Technologie – Berechnung – Simulation

8., aktualisierte und erweiterte Auflage

ide ins

Volker Quaschning

Inhaltsverzeichnis 1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

1.7

2

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

2.7

Energie und Klimaschutz ................................................................................. 13 Der Begriff Energie ................................................................................................................ 13 Entwicklung des Energiebedarfs ........................................................................................... 18 1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs ...................................................................... 18 1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland..................................................... 20 Reichweite konventioneller Energieträger ........................................................................... 23 Der Treibhauseffekt .............................................................................................................. 24 Kernenergie contra Treibhauseffekt ..................................................................................... 30 1.5.1 Kernspaltung ........................................................................................................... 30 1.5.2 Kernfusion ............................................................................................................... 33 Nutzung erneuerbarer Energien ........................................................................................... 34 1.6.1 Geothermische Energie ........................................................................................... 35 1.6.2 Planetenenergie ...................................................................................................... 36 1.6.3 Sonnenenergie ........................................................................................................ 36 1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie .............................................................. 37 1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie ........................................................... 39 Künftiger Energiebedarf, Energiewende und Klimaschutz .................................................... 43 1.7.1 Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs .......................................................... 43 1.7.2 Internationaler Klimaschutz .................................................................................... 46 1.7.3 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland...................................................... 48 1.7.3.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland .............................. 48 1.7.3.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland ............................................ 48 1.7.3.3 Umbau der Energieversorgung ........................................................................ 53

Sonnenstrahlung ............................................................................................. 55 Einleitung .............................................................................................................................. 55 Der Fusionsreaktor Sonne ..................................................................................................... 56 Sonnenstrahlung auf der Erde .............................................................................................. 60 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen ............................................................................. 65 Sonnenposition und Einfallswinkel ....................................................................................... 68 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene ....................................................................... 72 2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene ............................................................ 72 2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene............................................................. 73 2.6.3 Bodenreflexion ........................................................................................................ 74 2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung ............................................. 75 Berechnung von Abschattungsverlusten .............................................................................. 78 2.7.1 Aufnahme der Umgebung ....................................................................................... 78 2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades ...................................................... 80 2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades ...................................................... 81

8

2.8

3

3.1 3.2

Inhaltsverzeichnis 2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen.................................................................... 82 2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen ........................................... 83 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren .......................................................... 86 2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke ............................................................. 86 2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke .................................. 88 2.8.3 Künstliche Sonnen ................................................................................................... 88

Nicht konzentrierende Solarthermie................................................................ 90

3.9

Grundlagen ........................................................................................................................... 90 Solarthermische Systeme...................................................................................................... 93 3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung ............................................................................... 93 3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung ................................................................................ 94 3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen ....................................................... 96 3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf ............................................................................. 97 3.2.3 Solare Heizungsunterstützung ................................................................................ 99 3.2.4 Rein solare Heizung ............................................................................................... 100 3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung ................................................................................ 101 3.2.6 Solares Kühlen ....................................................................................................... 102 Solarkollektoren .................................................................................................................. 103 3.3.1 Speicherkollektoren .............................................................................................. 104 3.3.2 Flachkollektoren .................................................................................................... 106 3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren .................................................................................... 109 Kollektorabsorber ............................................................................................................... 110 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad ..................................................................... 113 Rohrleitungen ..................................................................................................................... 118 3.6.1 Leitungsaufheizverluste ........................................................................................ 121 3.6.2 Zirkulationsverluste ............................................................................................... 121 Speicher .............................................................................................................................. 123 3.7.1 Trinkwasserspeicher.............................................................................................. 124 3.7.2 Schwimmbecken ................................................................................................... 127 Anlagenauslegung ............................................................................................................... 130 3.8.1 Nutzwärmebedarf ................................................................................................. 130 3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad ............................................................. 131 3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen.................................................................................... 133 3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung ......................................................... 134 3.8.5 Rein solare Heizung ............................................................................................... 136 Aufwindkraftwerke ............................................................................................................. 136

4

Konzentrierende Solarthermie ...................................................................... 139

3.3

3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

4.1 4.2 4.3

4.4

Einleitung ............................................................................................................................ 139 Konzentration von Solarstrahlung ...................................................................................... 139 Konzentrierende Kollektoren .............................................................................................. 142 4.3.1 Linienkollektoren................................................................................................... 143 4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie ......................................................... 143 4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad......................................... 145 4.3.1.3 Längenausdehnung ........................................................................................ 149 4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder ........................................................................ 149 4.3.2 Punktkonzentratoren ............................................................................................ 152 Wärmekraftmaschinen ....................................................................................................... 153 4.4.1 Carnot-Prozess ...................................................................................................... 153 4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess ...................................................................................... 153

Inhaltsverzeichnis

9

4.6

4.4.3 Joule-Prozess ......................................................................................................... 156 4.4.4 Stirling-Prozess ...................................................................................................... 157 Konzentrierende solarthermische Anlagen......................................................................... 157 4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke ...................................................................................... 157 4.5.2 Solarturmkraftwerke ............................................................................................. 162 4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver ................................................................... 163 4.5.2.2 Druck-Receiver ............................................................................................... 164 4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen ............................................................................................. 165 4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie ............................................................................... 166 Stromimport ....................................................................................................................... 167

5

Photovoltaik ................................................................................................. 170

4.5

5.1 5.2

5.3

5.4

5.5

5.6

5.7

5.8

Einleitung ............................................................................................................................ 170 Funktionsweise von Solarzellen .......................................................................................... 172 5.2.1 Atommodell nach Bohr ......................................................................................... 172 5.2.2 Photoeffekt ........................................................................................................... 173 5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle .......................................................................... 175 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen .................................................................. 182 5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium ...................................................................... 182 5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen ....................................................................... 186 5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium ....................................................................... 187 5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien ..................................................................... 188 5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle ....................................................................... 189 Elektrische Beschreibung von Solarzellen ........................................................................... 190 5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild ..................................................................................... 190 5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell).................................................... 191 5.4.3 Zweidiodenmodell................................................................................................. 194 5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm ............................................................ 194 5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter ....................................................................... 196 5.4.6 Temperaturabhängigkeit....................................................................................... 198 5.4.7 Parameterbestimmung ......................................................................................... 201 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen ...................................................................... 202 5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen ........................................................................... 202 5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen ............................................. 204 5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen .......................................................................... 208 5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen .................................................................... 208 Solargenerator und Last ...................................................................................................... 210 5.6.1 Widerstandslast .................................................................................................... 210 5.6.2 Gleichspannungswandler ...................................................................................... 211 5.6.3 Tiefsetzsteller ........................................................................................................ 212 5.6.4 Hochsetzsteller ...................................................................................................... 215 5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler ........................................................................ 215 5.6.6 MPP-Tracker .......................................................................................................... 216 Akkumulatoren ................................................................................................................... 218 5.7.1 Akkumulatorarten ................................................................................................. 218 5.7.2 Bleiakkumulator .................................................................................................... 219 5.7.3 Andere Akkumulatortypen .................................................................................... 224 5.7.4 Akkumulatorsysteme ............................................................................................ 225 5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten ............................................................................. 229 Wechselrichter .................................................................................................................... 229 5.8.1 Wechselrichtertechnologie ................................................................................... 229

10

5.9 5.10

6

6.1 6.2

6.3

6.4

6.5

6.6

Inhaltsverzeichnis 5.8.1.1 Rechteckwechselrichter ................................................................................. 230 5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien ............................................................. 233 5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik ....................................................................... 234 5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters ............................................ 234 5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade ....................................................................... 236 5.8.2.3 Anlagenkonzepte ........................................................................................... 239 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme.......................................................................... 240 Planung und Auslegung....................................................................................................... 243 5.10.1 Inselnetzsysteme ................................................................................................... 243 5.10.2 Netzgekoppelte Systeme....................................................................................... 246 5.10.3 Eigenverbrauchssysteme....................................................................................... 249

Windkraft ..................................................................................................... 255 Einleitung ............................................................................................................................ 255 Dargebot von Windenergie ................................................................................................. 256 6.2.1 Entstehung des Windes ......................................................................................... 256 6.2.2 Angabe der Windstärke......................................................................................... 257 6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen ...................................................................... 258 6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe ......................................................................... 260 Nutzung der Windenergie ................................................................................................... 263 6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung ................................................................................ 263 6.3.2 Widerstandsläufer ................................................................................................. 265 6.3.3 Auftriebsläufer ...................................................................................................... 267 Bauformen von Windkraftanlagen...................................................................................... 271 6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse ......................................................... 271 6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse ..................................................... 272 6.4.2.1 Anlagenaufbau ............................................................................................... 272 6.4.2.2 Rotorblätter ................................................................................................... 273 6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche ..................................................................... 275 6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung ................................................ 276 6.4.2.5 Windnachführung .......................................................................................... 278 6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator.................................................. 279 6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen ........................................................................... 280 Elektrische Maschinen ........................................................................................................ 281 6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung ...................................................................... 282 6.5.2 Drehfeld ................................................................................................................ 285 6.5.3 Synchronmaschine ................................................................................................ 289 6.5.3.1 Aufbau ........................................................................................................... 289 6.5.3.2 Elektrische Beschreibung ............................................................................... 290 6.5.3.3 Synchronisation ............................................................................................. 293 6.5.4 Asynchronmaschine .............................................................................................. 293 6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände........................................................................ 293 6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven ....................................................... 295 6.5.4.3 Leistungsbilanz............................................................................................... 297 6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten................ 298 Elektrische Anlagenkonzepte .............................................................................................. 300 6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung .................................................. 300 6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung .................................................... 303 6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis.......................................... 304 6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren ........................................................... 306 6.6.5 Inselnetzanlagen ................................................................................................... 306

Inhaltsverzeichnis

11

6.7

Netzbetrieb ......................................................................................................................... 307 6.7.1 Anlagenertrag........................................................................................................ 307 6.7.2 Netzanschluss ........................................................................................................ 308

7

Wasserkraft .................................................................................................. 310

7.1 7.2 7.3

7.4

7.5

8

8.1 8.2 8.3 8.4

9

9.1

9.2

10

10.1

Einleitung ............................................................................................................................ 310 Dargebot der Wasserkraft .................................................................................................. 311 Wasserkraftwerke ............................................................................................................... 315 7.3.1 Laufwasserkraftwerke ........................................................................................... 315 7.3.2 Speicherwasserkraftwerke .................................................................................... 317 7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke ...................................................................................... 318 Wasserturbinen .................................................................................................................. 321 7.4.1 Turbinenarten ....................................................................................................... 321 7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine ................................................................. 322 7.4.1.2 Ossberger-Turbine ......................................................................................... 323 7.4.1.3 Francis-Turbine .............................................................................................. 323 7.4.1.4 Pelton-Turbine ............................................................................................... 324 7.4.2 Turbinenwirkungsgrad .......................................................................................... 324 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung ........................................................ 326 7.5.1 Gezeitenkraftwerke ............................................................................................... 326 7.5.2 Meeresströmungskraftwerke ................................................................................ 327 7.5.3 Wellenkraftwerke.................................................................................................. 328

Geothermie .................................................................................................. 330 Geothermievorkommen ..................................................................................................... 330 Geothermische Heizwerke .................................................................................................. 334 Geothermische Stromerzeugung ........................................................................................ 335 8.3.1 Kraftwerksprozesse ............................................................................................... 335 8.3.2 Geothermische Kraftwerke ................................................................................... 337 Wärmepumpen ................................................................................................................... 339 8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen ............................................................................. 339 8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen................................................................................. 341 8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen................................................................................. 342 8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung .................................................. 343

Nutzung der Biomasse................................................................................... 347 Vorkommen an Biomasse ................................................................................................... 347 9.1.1 Feste Bioenergieträger .......................................................................................... 349 9.1.2 Flüssige Bioenergieträger ...................................................................................... 353 9.1.2.1 Pflanzenöl ...................................................................................................... 353 9.1.2.2 Biodiesel ........................................................................................................ 354 9.1.2.3 Bioalkohole .................................................................................................... 354 9.1.2.4 Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe.............................................................. 355 9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger ................................................................................ 356 9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz ........................................................................ 358 Biomasseanlagen ................................................................................................................ 359 9.2.1 Biomasseheizungen............................................................................................... 359 9.2.2 Biomassekraftwerke .............................................................................................. 362

Wasserstofferzeugung, Brennstoffzellen und Methanisierung ....................... 363 Wasserstofferzeugung und -speicherung ........................................................................... 363

12 10.2

Inhaltsverzeichnis

10.3

Brennstoffzellen .................................................................................................................. 366 10.2.1 Einleitung .............................................................................................................. 366 10.2.2 Brennstoffzellentypen ........................................................................................... 367 10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten ................................................................. 370 Methanisierung und Untertagespeicherung ....................................................................... 372

11

Wirtschaftlichkeitsberechnungen .................................................................. 375

11.1 11.2

11.3

11.4

12

12.1 12.2

Einleitung ............................................................................................................................ 375 Energiegestehungskosten ................................................................................................... 376 11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung ................................................................. 376 11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung .................................. 377 11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke .......................................................................... 378 11.2.1.3 Photovoltaikanlagen ...................................................................................... 379 11.2.1.4 Windkraftanlagen .......................................................................................... 379 11.2.1.5 Wasserkraftanlagen ....................................................................................... 380 11.2.1.6 Geothermieanlagen ....................................................................................... 381 11.2.1.7 Holzpelletsheizungen ..................................................................................... 382 11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung.................................................................... 383 11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung .................................. 386 11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke .......................................................................... 386 11.2.2.3 Photovoltaikanlagen ...................................................................................... 386 11.2.2.4 Windkraftanlagen .......................................................................................... 387 11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen ......................................................... 387 11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien ............................. 387 11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme ............................................................... 390 Externe Kosten des Energieverbrauchs............................................................................... 392 11.3.1 Subventionen im Energiemarkt ............................................................................. 392 11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung ............................................................ 394 11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden ...................................................... 395 11.3.4 Sonstige externe Kosten........................................................................................ 396 11.3.5 Internalisierung der externen Kosten.................................................................... 397 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen ............................................. 398 11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung............................................................................. 398 11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals ............................................................................ 399

Simulation und die DVD zum Buch................................................................. 401 Allgemeines zur Simulation ................................................................................................. 401 Die DVD zum Buch .............................................................................................................. 402 12.2.1 Start und Überblick ............................................................................................... 402 12.2.2 Abbildungen .......................................................................................................... 403 12.2.3 Software ................................................................................................................ 403 12.2.4 Vermischtes........................................................................................................... 404

Literaturverzeichnis ................................................................................................. 406 Sachwortverzeichnis ................................................................................................ 413

54

1 Energie und Klimaschutz

Nach Vorstellungen einiger Forscher, Politiker und Energieversorger sollte eine künftige Energieversorgung zum großen Teil auf zentralen regenerativen Kraftwerken wie Offshore-Windparks oder photovoltaischen oder solarthermischen Kraftwerken in Südeuropa und Nordafrika basieren. Eine derartige Versorgung wäre ihrer Ansicht nach am kostengünstigsten zu realisieren. Kritiker bemängeln, dass dafür allerdings eine große Zahl an neuen Hochspannungstrassen erforderlich wäre, die bei der Bevölkerung nur eine sehr geringe Akzeptanz erreichen. Zum Teil werden auch die erwarteten Kostensenkungspotenziale bei Offshore-Windparks und solarthermischen Kraftwerken bezweifelt. Aufgrund der hohen Investitionskosten müssten große zentrale regenerative Kraftwerke zudem von finanzstarken Investoren wie den großen Energieversorgern errichtet werden. Wegen der Konkurrenzsituation zu deren bestehenden fossilen und nuklearen Kraftwerken ist dabei nicht der schnellstmögliche Umbau zu erwarten. Der hohe Anteil an nicht zukunftsfähigen Kernkraft- und Braunkohlekraftwerken schließen mittelfristig eine treibende Rolle der großen Energieversorger für eine Etablierung einer regenerativen Energieversorgung faktisch aus. Um möglichst hohe Gewinne mit den noch bestehenden fossilen und nuklearen Kraftwerken zu erzielen, nutzen sie vielmehr ihren Einfluss auf die Politik, um einen zu schnellen Zubau erneuerbarer Energien zu verhindern. Verschiedene Umweltschutzorganisationen raten daher den Wechsel zu einem unabhängigen grünen Stromanbieter [Nat12]. Befürworter einer schnellen Energiewende streben daher eine dezentralere regenerative Versorgung an. Die dafür nötigen Anlagen sind kleiner, lassen sich erheblich schneller errichten und benötigen keine extrem hohen Investitionen. Es käme zu mehr Wettbewerb zu den etablierten Energieversorgungsunternehmen. Der Bedarf an neuen Hochspannungstrassen würde deutlich sinken. Dafür müssten das Verteilungsnetz und lokale Speicher stärker ausgebaut werden. Viele Endkunden würden eigene Erzeugungsanlagen wie beispielsweise Photovoltaikanlagen selbst besitzen, was zu einer Demokratisierung der Energieversorgung führt. In der Praxis wird vermutlich eine Mischung aus beiden Konzepten die künftige Energieversorgung sicherstellen. Je länger allerdings die großen Energieversorger beim Umbau der Energieversorgung auf Zeit spielen, desto größer wird der dezentrale Anteil werden. Inwieweit durch die Konkurrenzsituation einer regenerativen zur bestehenden Versorgung Mehrkosten verursacht, indem nicht immer die kostenoptimalen Systeme errichtet und kostengünstige Entwicklungen blockiert werden, ist schwer abzuschätzen. Betrachtet man die Klimaproblematik und die hohen Kosten durch künftige Klimaschäden, die Kosten für Folgeschäden von Unglücken wie Fukushima sowie die Probleme durch stetig steigende Preise für fossile Energieträger, geraten Fragen der Umbaukosten in den Hintergrund. Es bleibt die wesentliche Frage, wie wir am schnellsten unsere Energieversorgung nachhaltig umgestalten können, um die Lebensgrundlagen für künftige Generationen zu erhalten.

2

Sonnenstrahlung

2.1 Einleitung Die Sonne ist die mit Abstand größte regenerative Energiequelle. Erdwärme und die Planetenanziehung sind, wie im vorigen Kapitel bereits erläutert, im Vergleich zur Energie der Sonne unbedeutend. Die Sonnenstrahlung kann direkt durch solarthermische oder photovoltaische Anlagen genutzt werden. Auch die Windkraft und Wasserkraft basieren letztendlich auf der Energie der Sonne und können auch als indirekte Sonnenenergie bezeichnet werden. Da die genaue Kenntnis der Sonnenstrahlung für die Berechnung und Simulation vieler regenerativer Energiesysteme von Bedeutung ist, ist dieses Kapitel dem Themengebiet Solarstrahlung gewidmet. Es umfasst hauptsächlich Berechnungen aus dem Bereich der Photometrie. Die wichtigsten photometrischen Größen sind in Tabelle 2.1 dargestellt, wobei bei der Nutzung der Sonnenenergie hauptsächlich die strahlungsphysikalischen Größen von Bedeutung sind. Die lichttechnischen Größen beziehen sich lediglich auf den sichtbaren Anteil des Lichtes, wohingegen Solaranlagen auch den nicht sichtbaren ultravioletten und infraroten Anteil ausnutzen können. Bei zahlreichen der folgenden Berechnungen werden physikalische Naturkonstanten benötigt, die im Anhang zusammenfassend dargestellt sind. Tabelle 2.1 Wichtige strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen [DIN5031] Strahlungsphysikalische Größen Name

Formel-

Lichttechnische Größen Einheit

Name

zeichen

Formel-

Einheit

zeichen

Qe

Ws

Lichtmenge

Strahlungsleistung

Φe

W

Lichtstrom

Φv

lm

spezif. Ausstrahlung

Me

W/m²

spez. Lichtausstrahlung

Mv

lm/m²

Strahlstärke

Ie

W/sr

Lichtstärke

Iv

cd = lm/sr

Strahldichte

Le

W/(m² sr)

Leuchtdichte

Lv

cd/m²

Bestrahlungsstärke

Ee

W/m²

Beleuchtungsstärke

Ev

lx = lm/m²

Bestrahlung

He

Ws/m²

Belichtung

Hv

lx s

Strahlungsenergie

Qv

Einheiten: W = Watt; m = Meter; s = Sekunde; sr = Steradiant; lm = Lumen; lx = Lux; cd = Candela

lm s

56

2 Sonnenstrahlung

2.2 Der Fusionsreaktor Sonne Die Sonne ist der Zentralkörper unseres Sonnensystems. Es wird angenommen, dass sie bereits seit 5 Milliarden Jahren mit ihrer jetzigen Helligkeit strahlt, und ihre weitere Lebensdauer dürfte noch einmal in der gleichen Größenordnung liegen. Die Sonne besteht zu etwa 80 % aus Wasserstoff, zu 20 % aus Helium und nur zu 0,1 % aus anderen Elementen. Tabelle 2.2 enthält die wichtigsten Daten der Sonne im Vergleich zur Erde. Tabelle 2.2 Daten von Sonne und Erde Sonne

Erde

Verhältnis

Durchmesser

1 391 320 km

12 756 km

1 : 109

Umfang

4 370 961 km

40 075 km

1 : 109

12

8

5,101·10 km²

18

1,0833·10 km³

Oberfläche

6,081·10 km²

Volumen

1,410·10 km³

Masse

1,9891·10 kg

5,9742·10 kg

1 : 332 946

Mittlere Dichte

1,409 g/cm³

5,516 g/cm³

1 : 0,26

Schwerebeschleunigung (Oberfläche)

274,0 m/s²

9,81 m/s²

1 : 28

Oberflächentemperatur

5 777 K

288 K

1 : 367

Mittelpunkttemperatur

15 000 000 K

6 700 K

1 : 2 200

30

12 24

1 : 11 897 1 : 1 297 590

Die Strahlungsleistung der Sonne stammt aus Kernfusionsprozessen. Hierbei werden über verschiedene Zwischenreaktionen vier Wasserstoffkerne (Protonen 1p) zu einem Heliumkern (Alphateilchen 4α) verschmolzen, der aus zwei Neutronen 1n und zwei positiv geladenen Protonen 1p besteht. Dabei werden zwei Positronen e+ und zwei Neutrinos νe erzeugt. Die Gleichung der Bruttoreaktion, die in Bild 2.1 illustriert ist, lautet somit: 4 11 p→ 42 α + 2e + + 2ν e + ∆E .

(2.1)

e+ e+

+ Alphateilchen Proton

Neutron

ve

e+ Positron

+Energie

ve

ve Neutrino

Bild 2.1 Fusion von vier Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern (Alphateilchen)

Werden die Massen der atomaren Bauteile vor und nach der Reaktion gegenübergestellt, lässt sich feststellen, dass die Gesamtmasse nach der Reaktion abgenommen hat. Die entsprechenden Teilchenmassen können aus Tabelle 2.3 entnommen werden. Die Massendifferenz ∆m berechnet sich über

∆m = 4 ⋅ m(1 p) − m(4 α) − 2 ⋅ m(e+ ) zu

(2.2)

∆m = 4 · 1,00727647 u – 4,0015060883 u – 2 · 0,00054858 u = 0,02650263 u .

57

2.2 Der Fusionsreaktor Sonne 27

Tabelle 2.3 Verschiedene Teilchen- und Nuklidmassen (1 u = 1,660565·10− kg) Teilchen bzw. Nuklid

Masse

Teilchen bzw. Nuklid

Masse

Elektron (e )

–

0,00054858 u

Wasserstoff (1H)

1,007825032 u

Proton (1p)

1,00727647 u

Helium (4He)

4,002603250 u

Neutron (1n)

1,008664923 u

Alphateilchen (4α)

4,0015060883 u

Bei dieser Rechnung wurde die Masse der Neutrinos νe vernachlässigt. Die Masse eines Positrons e+ entspricht der eines Elektrons e–. Die Gesamtmasse aller nach der Fusion entstandenen Teilchen ist somit geringer als die Summe aller an der Fusion beteiligen Teilchen vor der Reaktion. Der Massedefekt ∆m erklärt sich durch die Umwandlung von ∆m in frei werdende Energie ∆E, wobei ∆E über die Beziehung

∆E = ∆m ⋅ c 2

(2.3) 8

berechnet werden kann. Mit c = 2,99792458·10 m/s ergibt sich die bei einer Fusion freigesetzte Energie zu ∆E = 3,955·10−12 J = 24,687 MeV. Die unterschiedlichen Massen und die damit verbundene Energiedifferenz lassen sich über die so genannte Bindungsenergie Eb eines Kerns N+ZK erklären. Ein Atomkern besteht aus N Neutronen 1n und Z Protonen 1p. Beim Zusammenbau des Atomkerns aus Protonen und Neutronen muss, damit ein stabiler Kern entsteht, dessen Bindungsenergie frei werden. Die Bindungsenergie eines Heliumkerns kann aus der Massendifferenz zwischen dem Alphateilchen und zwei Neutronen plus zwei Protonen ermittelt werden. Bei der obigen Betrachtung wurden die Elektronen in der Atomhülle jeweils vernachlässigt und nur die Atomkerne betrachtet. Bei einem Wasserstoffatom 1H befinden sich ein Elektron, bei einem Heliumatom 4He zwei Elektronen in der Hülle. Zwei der vier Elektronen der Wasserstoffatome finden sich im Heliumatom wieder. Die anderen beiden Elektronen annihilieren mit den Positronen, das heißt, die zwei Elektronen und die zwei Positronen werden in Strahlungsenergie umgewandelt. Diese Strahlungsenergie entspricht also dem Vierfachen der Masse eines Elektrons beziehungsweise der Strahlungsenergie von 2,044 MeV. Insgesamt wird also bei der Fusionsreaktion die Gesamtenergie von 26,731 MeV freigesetzt. Diese kleine Energiemenge ist an sich noch nicht aufsehenerregend. Doch durch die große Zahl von verschmelzenden Kernen summiert sich die dabei in jeder Sekunde 26 frei werdende Energie zu der großen Summe von 3,8·10 Ws.  = 4,3·109 kg/s). HierPro Sekunde verliert die Sonne 4,3 Millionen Tonnen an Masse ( ∆m aus ergibt sich die Strahlungsleistung Φe,S der Sonne:  ⋅ c 2 = 3,845 ⋅ 10 26 W . Φe,S = ∆m

(2.4)

Wird dieser Wert durch die Sonnenoberfläche ASonne dividiert, ergibt sich die spezifische Ausstrahlung der Sonne:

Me,S =

Φe,S MW = 63,3 . ASonne m²

(2.5)

Jeder Quadratmeter der Sonnenoberfläche gibt die Strahlungsleistung von 63,3 MW ab. Ein Viertel Quadratkilometer der Sonnenoberfläche strahlt im Jahr mit rund 500 EJ so viel

58

2 Sonnenstrahlung

Energie ab, dass diese Menge dem aktuellen Primärenergiebedarf der ganzen Erde entspricht. Von dieser Energie erreicht jedoch nur ein geringer Teil die Erde. Man kann die Sonne idealerweise als schwarzen Körper betrachten. Somit lässt sich über das Stefan-Boltzmann-Gesetz M e (T ) = σ ⋅ T 4

(2.6)

die Oberflächentemperatur der Sonne (TSonne) bestimmen. Mit der Stefan-BoltzmannKonstanten σ = 5,67051·10–8 W/(m2 K4) ergibt sich TSonne = 4

Me,S

(2.7) = 5777 K . σ Wird eine Hüllkugel mit einem Radius, der dem mittleren Abstand vom Erd- zum Sonnenmittelpunkt (rSE = 1,496·108 km) entspricht, um die Sonne gebildet, tritt durch die Oberfläche ASE der Hüllkugel die gleiche Gesamtstrahlungsleistung wie durch die Sonnenoberfläche AS (Bild 2.2). Die auf einen Quadratmeter bezogene spezifische Ausstrahlung Me,S der Sonne ist jedoch deutlich größer als die Bestrahlungsstärke Ee auf der Hüllkugel. Erde

r SE rS

A SE AS

Sonne Bild 2.2 Durch die Kugeloberfläche mit dem Radius rSE tritt die gleiche Strahlungsleistung wie durch die Sonnenoberfläche

Über Me,S · AS = Ee · ASE sowie durch Einsetzen von ASE = 4 ⋅ π ⋅ rSE2 berechnet sich schließlich die Bestrahlungsstärke Ee zu E e = Me,S ⋅

AS r2 = Me,S ⋅ S2 . ASE rSE

(2.8)

Sie entspricht der extraterrestrischen Bestrahlungsstärke der Erde, die sich auf der Hüllkugel befindet. Da der Abstand zwischen Sonne und Erde nicht konstant ist, sondern sich im Verlauf eines Jahres zwischen 1,471·108 km und 1,521·108 km bewegt, schwankt die Bestrahlungsstärke Ee zwischen 1321 W/m² und 1412 W/m². Der Mittelwert wird als Solarkonstante E0 bezeichnet und beträgt

W . (2.9) m2 Dieser Wert kann außerhalb der Erdatmosphäre auf einer Fläche senkrecht zur Sonneneinstrahlung gemessen werden [Kop11]. Die Schwankung im Verlauf des Jahres in Abhängigkeit vom Tag des Jahres J lässt sich wie folgt angeben: E 0 = 1360,8 ± 0,5

E 0 ( J) = E 0 ⋅ (1 + 0,0334 ⋅ cos(0,0172° ⋅ J − 0,04747°)) .

(2.10)

Neben der gesamten Bestrahlungsstärke, die auf die Erde trifft, ist auch die spektrale Zusammensetzung der Sonnenstrahlung für die Nutzung der Solarenergie von großer Be-

59

2.2 Der Fusionsreaktor Sonne

deutung. Die Sonnenstrahlung wird durch Photonen verschiedener Wellenlänge λ übertragen. Im Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm beziehungsweise 0,38 bis 0,78 µm ist die Strahlung für den Menschen sichtbar. Tabelle 2.4 zeigt die zu verschiedenen Wellenlängen gehörenden Farben an. Tabelle 2.4 Wellenlängen verschiedener Farbtöne Farbton

Wellenlänge in nm

Farbton

Wellenlänge in nm

Ultraviolett

780

1 µm = 1000 nm, 1 nm = 0,001 µm

Die Sonne kann näherungsweise als schwarzer Körper betrachtet werden, dessen Temperatur der Sonnenoberflächentemperatur von 5777 K entspricht. Die von der Wellenlänge λ abhängige spektrale Strahldichte Le,λ eines schwarzen Körpers für eine absolute Temperatur T lässt sich nach Planck über

Le,λ =

c1

λ5

⋅

1 1 ⋅ Ω0  c2  exp  −1  λ ⋅T 

(2.11)

berechnen. Hierbei sind

h⋅c = 1,439 ⋅ 10 −2 m K . (2.13) k Ω0 = 1 sr wird nur zur Korrektur der Einheitenbilanz benötigt, wobei Steradiant sr die Einheit des Raumwinkels ist. Strahlt ein Körper gleichmäßig in alle Richtungen des Raumes ab, berechnet sich daraus die von der Wellenlänge λ abhängige spektrale spezifische Ausstrahlung Me,λ und die spektrale Bestrahlungsstärke c1 = 2 ⋅ h ⋅ c 2 = 1,191 ⋅ 10 −16 Wm ²

Ee,λ =

rS2 r2 ⋅ Me,λ = S2 ⋅ π ⋅ Le,λ . 2 rSE rSE

(2.12)

und c2 =

(2.14)

Die zuvor bestimmte Bestrahlungsstärke Ee ergibt sich aus der Integration der von der Wellenlänge abhängigen spektralen Bestrahlungsstärke Ee,λ:

E e = ∫ E e,λ dλ .

(2.15)

In der Realität lässt sich eine geringfügige Abweichung des Spektrums zum idealen Verlauf eines schwarzen Körpers messen (Bild 2.3). Das reale Spektrum außerhalb der Erdatmosphäre trägt die Bezeichnung Spektrum AM0. Bei diesem so genannten extraterres-

Sachwortverzeichnis A Abfluss 316 Abschattung 78, 82, 204 Abschattungsgrad diffuser 81, 82 direkter 81 Abschattungsverluste 84 Abschattungswinkel 84 Absorber 111, 141, 163 Beschichtung 111, 141 Fläche 94 Rohr 149 selektiver 112 Temperatur 141 Absorption der Atmosphäre 60 Absorptionsgrad 107, 146 Absorptionskoeffizient 182 Absorptions-Wärmepumpe 341 Abzinsung 384 Adsorptions-Wärmepumpe 342 AFC (alkalische Brennstoffzelle) 367 Ah-Wirkungsgrad 220 Air Mass 61 Akkumulator 218 am Solargenerator 226 Arten 218 Blei 219 Daten 219 Eigenverbrauchsanteile 252, 254 Kapazität 220 Lithium-Ionen 219, 224 NaNiCl 225 NaS 219, 225 NiCd 219 NiMH 219, 224 Systeme 225, 241, 242 Akzeptor 178 Albedo 75 alkalische Brennstoffzelle 367 alkalische Elektrolyse 364 Alphateilchen 56

AM (Air Mass) 61 Andasol 162, 378 Anlagenkonzepte für Windkraftanlagen 300 Anlaufwindgeschwindigkeit 275 Annuitätsfaktor 385 Anstellwinkel 268 Anströmgeschwindigkeit 268 Antireflexionsschicht 185 Arbeitspunkt 210, 226 Asynchrongenerator 300, 306 Asynchronmaschine 293 Atomkraft siehe Kernenergie aufgeständerte Solaranlagen 83 Auftriebsbeiwert 267, 268 Auftriebskraft 267 Auftriebsläufer 267 Aufwindkraftwerk 136 Ausbauabfluss 316 Ausbaufallhöhe 316 Auslegungswindgeschwindigkeit 275 äußerer Photoeffekt 173 Ausstrahlung, spezifische 57 Autarkie 242 Autarkiegrad 253 Azimutantrieb 278

B B2-Brückenschaltung 230, 233 B6-Brückenschaltung 233 Bandabstand 174, 199 verschiedener Halbleiter 175 Bändermodell 174 Batterie siehe Akkumulator Batteriekapazität 245 Beaufort-Skala 258 Beihilfen 393 Beschichtung, selektive 111 Bestrahlung 55 Bestrahlungsstärke 55, 58 diffuse 66, 73 direkte 66, 73

414 geneigte Ebene 72 horizontale 65 Messung 86, 88 Tagesgänge 63 Betriebskosten 376 Betz'scher Leistungsbeiwert 264 Beweglichkeit 176 Bioalkohole 354 Biodiesel 354 Bioenergieträger feste 349 flüssige 353 gasförmige 356 Bioethanol 354 Biogas 357, 372 Biokraftstofferträge 359 Biomasse 347 Heizungen 359 Kraftwerke 362 Potenziale 348 Produktion 41 Vorkommen 347 Biomass-to-Liquid 355 Blatteinstellwinkel 268 Bleiakkumulator 219 Betriebszustände 222 Ladezustand 221 Blindleistung 284, 288 Blindleistungskompensation 302 Blindwiderstand 284 Blockingdiode 225, 228 Bodenreflexion 74 Bohr'sches Atommodell 172 Bohrturm 333 Boltzmann-Konstante 176 Bor 178 Brennstoffzelle 43, 366 Brückenschaltung 230 BtL-Brennstoffe 355 Bulb-Turbine 323 Bypassdioden 205

C C4-Pflanzen 348 Cadmiumtellurid 175, 188 Carnot-Prozess 153 CEC-Wirkungsgrad 237 Cermet 112 CIS-Solarzelle 188 Clausius-Rankine-Prozess 153 COP (Coefficient of Performance) 344 Coulomb-Kraft 172 CVD (Chemical Vapor Deposition) 183

D dachintegrierte Photovoltaikanlage 171 Dampfkraftwerke 153

Sachwortverzeichnis Dampfreformierung 363 Dänisches Konzept 300 Darrieus-Rotor 272 Deckungsgrad, solarer 131 Defektelektronen 176 Deklination 69 dezentrale Versorgung 54 DHÜ 168 Dichte der Luft 263 Dielektrizitätskonstante 172 Differenzierung der Globalstrahlung 67 diffuser Abschattungsgrad 82 diffuser Strahlungsanteil 68 Diffusionsspannung 178 Diffusstrahlung 66, 73 Diode 190 Diodendurchbruch 194 Diodenfaktor 190, 202 Diodensättigungsstrom 202 direkter Abschattungsgrad 81 Direktmethanol-Brennstoffzelle 368 Direktstrahlung 66, 72 Dish-Stirling-Anlagen 165 Distickstoffoxid 26 Divergenz 140 DMFC (Direktmethanol-Brennstoffzelle) 368 Donator 177 doppelte Abdeckung 108 dreckiges Silizium 183 Drehfeld 285, 286 Drehmoment 269 Asynchronmaschine 298 Synchronmaschine 292 Drehstrommaschinen 282 Drehstromwicklung 286 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 298 Dreieckschaltung 287 Druck-Receiver 164 Dünnschichtzellen 187 Durchström-Turbine 323

E EEG 255, 387, 394 Effektivwert 283 EFG-Verfahren 184 Eigenleitung 176 Eigenverbrauchsanteil 249 Eigenverbrauchssysteme 240, 249 Einblattrotoren 273 Eindiodenmodell 191 Einfallswinkel 71, 145 Einfallswinkelkorrekturfaktor 117, 146 Einkreissystem 97 Eintakt-Sperrwandler 216 elektrische Feldkonstante 172 elektrische Leitfähigkeit 177 elektrische Maschinen 281

Sachwortverzeichnis elektrische Wechselstromrechnung 282 elektrischer Widerstand 210 Elektrizitätsversorgung 49 Elektroherd 16 Elektrolumineszenz 189 Elektrolyse 52, 364 Elektrolyt 220, 222, 369 Elektronendichte 176, 177 Elektronenmasse 172 elektrotechnische Größen 171 Elementarladung 172 Elevation 68 Emissionsgrad 107, 128 empfehlenswerte Rohrdurchmesser 120 Empfindlichkeit, spektrale 181 Endenergie 17 Endenergieverbrauch 22 Endverluste 145 Energie Einheiten 14 Elektron 173 Energieerhaltungssatz 15 Gestehungskosten 377, 385 kinetische 263 Photon 173 Preise 391 Pumpspeicherkraftwerke 318 Wind 263 Energiebänder 173 Energiebedarf Deutschland 20, 49 Entwicklung 18 Entwicklung weltweit 43 Welt 18 zukünftiger 43 Energiewende 48 Energiezustände 174 ENS 236 enthalpische Zellspannung 370 Entladestrom 222 Entladetiefe 221 Entropie 155 Erde Bestrahlungsstärke 58 Daten 56 Primärenergiebedarf 45 Primärenergieverbrauch 19 Erdgas 372, 382 Erdgasspeicher 51, 374 Erdkern 330 Erdkollektor 346 Erdöl 19, 382 Erdsonden 345 Erdwärmekollektor 346 Erfahrungskurve 388 Erfahrungswert 389 Erneuerbare-Energien-Gesetz 255, 387, 394 Erregerstrom 290

415 Erregerwicklung 289 Ersatzschaltbild Asynchronmaschine 296 Asynchronmaschine, vereinfachtes 297 Solarzelle, veinfachtes 191 Solarzelle, Zweidiodenmodell 194 Synchronmaschine 291 Ethanol 354 Euro-Wirkungsgrad 236 EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat) 186 EVA-Vernetzungsanalyse 189 externe Kosten 392, 397 externer Quantenwirkungsgrad 180

F FAME (Fettsäuremethylester) 354 Farbstoffzellen 188 Farbtöne 59 Feldeffekttransistor 227, 229 Feldstärke, magnetische 285 feste Bioenergieträger 349 Festmeter 351 Fettsäuremethylester 354 Fischer-Tropsch-Synthese 356 Flächennutzungsgrad 83 Flachkollektor 106 Absorber 111 Frontscheibe 107 Kollektorgehäuse 108 Flasher 89 Flicker 308 Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) 26 Flussdichte, magnetische 285 flüssige Bioenergieträger 353 Forschung und Entwicklung 394 Fotovoltaik siehe Photovoltaik Fourier-Analyse 231 Francis-Turbine 323 Freileitungen 167 Fresnelkollektor 142 Frontscheibe 107 Fukushima 33 Füllfaktor 197

G Gallium-Arsenit 175 gasförmige Bioenergieträger 356 Gasherd 16 Gasturbine 156 Gasungsspannung 222 Generator 281 geostrophischer Wind 262 Geothermie 35, 330 Kosten 381 Geothermische Heizwerke 334 Geothermische Kraftwerke 335 Gesamtkosten 376

416 Geschichte der Photovoltaik 170 Geschichte der Windkraft 255 gespeicherte Wärme 122 Getriebe 279 getriebelose Windkraftanlage 305 Gezeitenkraftwerke 36, 326 Gibbs’sches Potenzial 370 Giermotor 278 Gierwinkel 278 Gleichdruckturbine 321 Gleichspannungswandler 211 Gleitzahl 268 globale Bestrahlung 63 globale Zirkulation 257 Gondel 279 Grenzschichtprofil 261, 262 Grid Parity 389 Grid-Parity 249 Gütegrad 344

H H5-Schaltung 234 Hadley-Zelle 256 Halbleiter 174 direkt 182 indirekt 182 n-leitend 178 p-leitend 178 Halbleitersensor 86 harmonische Analyse 231 Harrisburg 32 Häufigkeitsverteilung 258 H-Brückenschaltung 230 Heat Pipe 109 Heizwert Biomasse 348 Holz 350, 351 Heliostatenfelder 152 Hellmann, Potenzansatz 262 HERIC-Schaltung 234 HGÜ 168 Himmelsklarheit 74 Himmelstemperatur 128 HIT-Zelle 186 Hochsetzsteller 215, 235 Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragung 168 Holzbriketts 350 Holzfeuchte 350 Holzhackschnitzel 352 Holzpellets 350, 352 Preise 382 Horizonthelligkeitsindex 74 Hot-Dry-Rock-Verfahren 333 Hot-Spots 205 H-Rotor 272

Sachwortverzeichnis

I IAM siehe Einfallswinkelkorrekturfaktor innerer Photoeffekt 174 Inselnetzwechselrichter 235 Intergovernmental Panel on Climate Change 43 internationaler Klimaschutz 46 interner Quantenwirkungsgrad 180 intrinsische Trägerdichte 176 invertierender Wandler 215 Investitionskosten 376 Ionisationsenergie 173, 177 IPCC 43 ISCCS-Kraftwerk 161 Isolator 174 Itaipu-Kraftwerk 317, 380

J Jahresarbeitszahl 344 Jahresdauerlinie 313 Joule-Prozess 156

K Käfigläufer 294 Kalina-Prozess 336 Kapazität (Akkumulator) 220 Kapitalvermehrung 398 Kapitalwert 384 Kaplan-Turbine 322 Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle 369 Kavernenspeicher 374 Kernenergie 30 Anteil an der Stromerzeugung 31 Entwicklungskosten 394 Kernfusion 33 Kernspaltung 30 Unfälle 32, 395 Uranvorkommen 24, 31 Kernfusion 33, 56 kinetische Energie 263 Kippmoment 293, 299 Kippschlupf 299 Klimaschutzvorgaben 29 Welt 29 Klimaveränderungen 28 Klirrfaktor 233 Kloss’sche Formel 299 Klucher-Modell 73 Kohlendioxid 25, 364 Emissionen 47, 48 Konzentration 26, 45 spezifische Emissionsfaktoren 46 Wärmepumpe 345 Kohlepfennig 392 Kollektor 103, 143 Austrittstemperatur 119 Durchfluss 118

Sachwortverzeichnis Durchsatz 118 Endverluste 145 Fläche, Pro-Kopf 38 Nutzleistung 113, 145 Stillstandstemperatur 115, 141 Wirkungsgrad 113, 114, 148 Kollektorkreisnutzungsgrad 132 Kollektorwirkungsgradfaktor 114 komplexe Wechselstromrechnung 283 Kompressions-Wärmepumpe 339 Konvektion 107, 109, 113, 128 Konversionsfaktor 114 Konzentrationsfaktor 140 konzentrierende Kollektoren 142 konzentrierende Solarthermie 139 konzentrierende solarthermische Anlagen 157 Kosten externe 392, 397 Forschung und Entwicklung 394 Geothermie 381 Holzpelletsheizung 382 konventionelle Energiesysteme 390 Naturkatastrophen 396 Photovoltaik 379, 386 solartherm. Wassererwärmung 377, 386 solarthermische Kraftwerke 378, 386 Wärmepumpe 381 Wasserkraft 380 Windkraft 379, 387 Kostensenkungen 388 Kreifrequenz 282 Kreisfrequenz, Elektron 172 Kristallgitter 176 künstliche Sonne 88 Kupfer-Indium-Diselenid 188 Kupferrohre 120 Kurzschlussstrom 196 Kværner-Verfahren 364 Kyoto-Protokoll 46, 47

L Laderegler 227 Ladewirkungsgrad 220 Ladezustandsbilanzierung 223 Lagerraumvolumen 361 Laminieren 187 Längenausdehnung 149 Längsregler 227 Laser Grooved Buried Contact 186 Latentwärmespeicherung 124 Läufer 289, 294 Laufwasserkraftwerke 315 Lee 261 Leeläufer 278 Leerlaufspannung 196, 200, 209, 371 Leistung 14, 263, 284, 307 Pumpspeicherkraftwerk 319

417 Turbine 325 Wasser 315 Wasserkraftwerk 316 Wind 263 Leistungsbeiwert 264, 270 Approximation 270 nach Betz 264 Schalenkreuzanemometer 266 Widerstandsläufer 267 Leistungsdichte des Windes 255 Leistungsfaktor 285 Leistungstransistoren 229 Leistungszahl 344 Leiter 174 Leitfähigkeit 174, 177 Leitungen 118, 226 Leitungsaufheizverluste 121 Leitungsband 174 Leitungsverluste 226 Leuchtdichte 55 LGBC (Laser Grooved Buried Contact) 186 lichttechnische Größen 55 Light-Trapping 182 Linienkollektoren 143 Linienkonzentratoren 142 Lithium-Ionen-Akkumulator 219, 224 Löcherdichte 176, 178 logarithmisches Grenzschichtprofil 261 Luftmassenstrom 263 Luftspaltleistung 298 Luftverschmutzung 396 Luv 261 Luvläufer 278

M magnetische Feldkonstante 285 magnetische Feldstärke 285 magnetische Induktion 285 Maschinen, elektrische 281 Massendefekt 30 Massenstrom 119, 263 Master-Slave-Wechselrichter 239 maximale Konzentration 140 Maximum Power Point 196 MCFC (Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle) 369 Meeresspiegel, Anstieg 28 Meeresströmungskraftwerke 327 Membran-Brennstoffzelle 368 Methan 25, 372 Methanisierung 52, 372 Mie-Streuung 60 mikrokristalline Solarzelle 188 mikromorphe Solarzelle 188 mittlere Ortszeit 69 Modultests 189 Modulwechselrichter 240 Momentanleistung 284

418 Momentenbeiwert 269 MOSFET 227, 229 MPP (Maximum Power Point) 196 Regelung 217 Tracker 216, 227 MPP-Anpassungswirkungsgrad 235

N Nachführung 75 Nachführungswinkel 149 NaNiCl-Akkumulator 225 NA-Schutz 236 Natrium-Schwefel-Akkumulator 219, 225 n-Dotierung 178 Neigung 75, 76, 145 Neigungsgewinne 77 Nennwindgeschwindigkeit 275 Netzanschluss 308 Netzbetrieb 307 Netzfrequenz 287 Netzparität 389 Nevada Solar One 162, 378 Newton-Verfahren 193 Nickel-Cadmium-Akkumulator 219, 224 Nickel-Metall-Hydrid-Akkumulator 219, 224 Niederspannungsrichtlinie 236 Niedertemperaturspeicher 124 Niedertemperaturwärme 42 Nuklidmassen 57 Nutzenergie 17

O Oberfläche, Kugelkappe 126 Oberschwingungen 231 offene Gasturbine 156 offener Receiver 163 Öffnungswinkel der Sonne 140 Oil Parity 390 Ölkrise 18 Ölparität 390 Ölpreise 382, 391 optischer Wirkungsgrad 114, 146 ORC-Prozess 337 Ortszeit 69 Ossannakreis 297 Ossberger-Turbine 323 oxidkeramische Brennstoffzelle 369 Ozon 26

P PAFC (Phosphorsäure-Brennstoffzelle) 368 Parabolrinnenkraftwerke 157 Parabolschüssel 152 Parallelregler 227 Parallelschaltung von Solarzellen 208 Parallelwiderstand 192, 202 partielle Oxidation 363

Sachwortverzeichnis Passatwind 256 p-Dotierung 178 Pellets 352 Pelletslagerraum 361 Pelton-Turbine 324 PEM (Membran-Brennstoffzelle) 368 Perez-Modell 73 Performance Ratio 248 petrothermale Geothermie 338 Pfaffenhofen, Heizkraftwerk 362 Pflanzenöl 353 Phasenwinkel 282 Phosphor 177 Phosphorsäure-Brennstoffzelle 368 Photoeffekt 173 äußerer 173 innerer 174 Photostrom 181, 190, 199 Photovoltaik 38, 170 Eigenverbrauchssysteme 240, 249 Kosten 379, 386 PID (Potenzialinduzierte Degradation) 235 Pitch-Regelung 268, 277 Pitchwinkel 269 Planck’sches Spektrum 60 Planck’sches Wirkungsquantum 172 Planetenenergie 36 Plutonium 32 pn-Übergang 178 Polpaarzahl 287 Polradspannung 290 Polradwinkel 290 Polteilung 287 polumschaltbare Generatoren 302 Porenspeicher 374 Potenzansatz nach Hellmann 262 Potenziale Photovoltaik 38 solarthermische Kraftwerke 37 Windkraft 41 Power-to-Gas 51, 373 Preisindex 376 Preissteigerungsrate 376 Primärenergie 17 Primärenergiebedarf 45 Primärenergieverbrauch 19 Deutschland 21 Entwicklung, weltweit 45 Progress Ratio 388 Pulsweitenmodulation 233 Pumparbeit 320 Pumpe 94, 98 Pumpspeicherkraftwerke 318 Punkt maximaler Leistung 196 Punktkonzentratoren 143, 152 PVC 111 p-V-Diagramm 154 PWM (Pulsweitenmodulation) 233

Sachwortverzeichnis Pyranometer 86 Pyrheliometer 88

Q Quantenwirkungsgrad 180

R Rankine-Prozess 153 Rapsölmethylester 354 Rauigkeitslänge 262 Raumladungszone 178, 179 Raummeter 351 Rayleigh-Streuung 60 Rayleigh-Verteilung 260 Receiver 139, 163 Rechteckwechselrichter 230 Reduktionsverpflichtungen 47 Reflexionsgrad 107, 146 Regelung MPP (Maximum Power Point) 217 Pitch 268, 277 Stall 276 Reichweite Erdags 23 Erdöl 23 fossile Energieträger 23 Kohle 23 Uran 24 Reihenabstand, optimaler 83 Reihenschaltung von Solarzellen 202 Reihenverschattungen 150 relative Luftfeuchte 129 relative spektrale Empfindlichkeit 181 Reserven fossiler Energieträger 23 Resonanzwechselrichter 230 reversible Zellspannung 370 Rheinfelden 313, 380 RME (Rapsölmethylester) 354 Rohöleinheit 14 Rohölpreise 391 Rohrdurchmesser 119 Rohrleitungen 118 Rohr-Turbine 322 Rotorblattzahl 273 Rückflussdiode 225 Rückseitenkontaktzellen 186 rückseitige Wärmedämmung 108 Rundholz 350

S Sabatier-Prozess 372 Sahara 65 saisonaler Speicher 100 Salzkavernen 366 Sanftanlaufschaltung 300 Sättigungsdampfdruck 128 Sättigungsstrom 190, 199

419 Säuredichte 221 Savonius-Rotor 271 Schalenkreuzanemometer 266 Schattenball 88 schattentolerante Module 205 Scheinleistung 284, 288 Scheitholz 350 Scheitholzkessel 360 Schenkelpolläufer 289 Schichtenspeicher 100 Schleifringläufer 294 Schlupf 294, 301 schmutziges Silizium 183 Schnelllaufzahl 266, 268, 275 Schüttraummeter 351 Schwarzchrom 112 Schwerkraftsystem 96 Schwimmbadabdeckung 129 Schwimmbadabsorber 111 Schwimmbadbeheizung 93 Schwimmbecken 127 Sechspuls-Brückenschaltung 233 SEGS-Parabolrinnenkraftwerke 158 Selbstentladung 220 selektive Beschichtung 111, 141 Serienregler 227 Serienwiderstand 191, 202 Shottkydiode 225 Shuntregler 227 Siemens-Verfahren 183 Silan-Prozess 183 Silizium 175, 182 Abkürzungen 183 amorphes 187 metallurgisches 182 mikrokristallines 188 monokristallines 184 polykristallines 183 Simulationsprogramme 401 SOFC (oxidkeramische Brennstoffzelle) 369 Software 401 Solarchemie 166 solare Deckungsrate 133, 135 solare Heizung 100, 136 solare Nahwärme 101 solare Schwimmbadbeheizung 93 solare Trinkwassererwärmung 94, 133 solarer Deckungsgrad 131 solares Kühlen 102 Solargenerator 208, 210 Solarkollektoren 38, 103, 142 Solarkonstante 58 Solarmodul 186, 202 Abschattungen 204 Aufbau 186 technische Daten 209 Solarthermie 90 solarthermische Kraftwerke 37

420 Kosten 378, 386 solarthermische Systeme 93 solarthermische Wassererwärmung 90 Kosten 377, 386 Solarturmkraftwerke 162 Solarzelle 172 Dünnschicht 187 Eindiodenmodell 191 elektrische Beschreibung 190 Ersatzschaltbilder 190 Funktionsprinzip 175 Funktionsweise 172 Herstellung 182 I-U-Kennlinie 191 Kennlinie 197 Parameterbestimmung 201 Prinzip 179 Temperaturabhängigkeit 198 Vorgänge in 180 Zellparameter 196 Zweidiodenmodell 194 Sonne Daten 56 Oberflächentemperatur 58 Position 68 spezifische Ausstrahlung 57 Strahlungsleistung 57 Sonnenazimut 68 Sonnenbahndiagramm 70, 80 Sonneneinfallswinkel 71, 145 Sonnenenergie 36 direkte 37 Energiemenge 36 indirekte 39 Sonnenhöhe 68 Sonnenofen 166 Sonnensimulator 89 Sonnenstand 62, 68 Sonnenstrahlung 55 Sparkassenformel 383 Speicher 123 Erdgas 51 Kollektor 104 Konzept 51 Medien 123 Möglichkeiten 229 Parabolrinnenkraftwerk 160 saisonal 100 Schichten 100 Temperatur 126 Verluste 125, 126 Wasserkraftwerke 317 Zeitkonstante 126 speicherbare Wärmemenge 124 Speicherung sensibler Wärme 124 spektrale Empfindlichkeit 87, 181 Spektrum 61, 112 Spektrum AM0 60

Sachwortverzeichnis Spektrum AM1,5g 61 spezifische Ausstrahlung 55, 57 Stadtgas 372 Stall-Regelung 276 Standardlastprofile 250 Standardtestbedingungen 197 Ständer 285, 289 STC (Standardtestbedingungen) 197 Stefan-Boltzmann-Gesetz 58 Steinkohleeinheit 14 Sternschaltung 287 Stirling-Prozess 157 Störstellenleitung 177 Strahldichte 55, 59, 60 Strahlungsgewinne 129 Strahlungsleistung 55, 57 strahlungsphysikalische Größen 55 Strangdiode 208, 239 Strangwechselrichter 240 String-Ribbon-Verfahren 184 Stromeinspeisegesetz 255 Stromimport 167 Stromortskurve 296 Stromrichterkaskade 306 Strömungsverlauf 264 Stundenwinkel 70 Subventionen 392 Synchrondrehzahl 287 Synchrongenerator 303 Synchronisation 293 Synchronisierbedingungen 293 Synchronmaschine 289 Synthesegas 356

T TapChan-Anlagen 329 Tastverhältnis 212, 216 Taupunkttemperatur 128 Tausend-Dächer-Programm 170 TCO 187, 235 Technische Daten Asynchrongenerator 300 Dish-Stirling-Anlage 166 Itaipu-Kraftwerk 317 Parabolrinnenkollektoren 144 Parabolrinnenkraftwerke 159, 162 Solarkollektor 115 Solarmodule 209 Solarturmkraftwerke 163 Wechselrichter 238 tektonische Platten 331 Temperaturabhängigkeit bei Solarzellen 198 Temperaturanstieg 28 Temperaturen, Geothermie 332 Temperaturschichtung 127 Temperatursensor 97 Temperaturspannung 190, 198

Sachwortverzeichnis thermische Verluste 114 thermischer Sensor 87 thermodynamische Größen 91 thermodynamischer Wirkungsgrad 370 Thermografie 189 Thermosiphonanlage 96 Tiefentladung 222 Tiefsetzsteller 212 Tiegelziehverfahren 184 Tinox 112 Totalverlust der Kapitalanlage 399 Transformator 235, 295 Transmissionsgrad 107, 146 Transmissionsverluste 127 transparente Wärmedämmung 104 Treibhauseffekt 24 anthropogener 24 Indizien 28 natürlicher 24 Temperaturanstieg 28 Verursachergruppen 27 zukünftige Schäden 396 Treibhausgas Distickstoffoxid 26 Emissionen 47 FCKW 26 Kohlendioxid 25 Methan 25 Ozon 26 Pro-Kopf-CO2-Emissionen 27 Trinkwasserspeicher 124 Tschernobyl 21, 31, 32 T-S-Diagramm 155 Turbine Dampfturbine 154 Francis 323 Gasturbine 156 Kaplan 322 ORC 336 Ossberger 323 Pelton 324 Pump 324 Rohr 322 Wind 263 Turbinenarten 321 Turboläufer 289 Turm 137, 162, 279 Turmwirkungsgrad 137 TWD (transparente Wärmedämmung) 104

U Überdruckturbinen 321 Übererregung 292 Überlebenswindgeschwindigkeit 166, 275 Übersetzungsverhältnis 216 übersynchrone Stromrichterkaskade 306 Umfangsgeschwindigkeit 266, 268

421 Umgebung, Beschreibung 78 Umrechnungsfaktoren für Energieeinheiten 14 Umrichter 211 Untererregung 292 Untertagespeicherung 372 Uranabbau 30 Uranvorräte 24

V Vakuumflachkollektor 109 Vakuumröhrenkollektor 109 Valenzband 174 variabler Schlupf 301 verbotene Zone 174 Verbraucherpreisindex 376 Verdunstungsverluste 129 Verluste, Wasserstoffspeicherung 366 Verlustfaktor 316 Verschattungen 150 Verschmutzungen, Verluste 83 Verzerrungsfaktor 232 Vierquadrantenbetrieb 291 Vollpolläufer 289 Volumenstrom 119, 263 Vorsätze 14 Vorsatzzeichen 14

W Wafer 185 wahre Ortszeit 69 Wärme 90 Wärmeänderung 90 Wärmebedarf bei Freibädern 94 Wärmedurchgang 92 Wärmedurchgangskoeffizient 91, 92, 125 Wärmedurchgangszahl 91, 121, 125 Wärmeenergie 16 Wärmefluss 90, 91 Wärmegestehungskosten 378, 386 Wärmekapazität 16, 91 Wärmekraftmaschinen 153 Wärmeleitfähigkeit 91, 92 Wärmepumpe 42, 339, 344 Kosten 381 Wärmerohr 109 Wärmespeicher 96 Wärmestrahlung 107, 111, 113, 128 Wärmestrom 91, 92 Wärmetauscher 109, 124, 158, 160 Wärmeträgerdurchsatz 98 Wärmeübergangskoeffizient 91, 92, 128, 147 Wärmeübergangszahl 121, 125 Wärmeverluste 124 Wärmeversorgung 52, 53 Warmwasserbedarf 130 Wassergehalt 350 Wasserkochen 15

422 Wasserkraft 40, 310 Kosten 380 Wasserkraftanlagen 315 Wasserstoff 363 energetische Daten 363 Erzeugung 43 Speichertypen 365 Transport 366 Wasserturbinen 321 Watt-peak (Wp) 197 Wechselrichter 229 Daten 238 Master-Slave 239 Photovoltaik 234 Wirkungsgrad 236 Wechselspannung 282 Wechselstromrechnung 282 Weibull-Verteilung 259 Wellenkraftwerke 328 Wellenlängen 59 Weltenergieverbrauch 18 Western Mill 40 Wh-Wirkungsgrad 220 Widerstandsbeiwert 265 Widerstandskraft 265, 267 Widerstandslast 210 Widerstandsläufer 265 Wind Dargebot 256 Entstehung 256 geostrophischer 262 Geschwindigkeit 258 Geschwindigkeitsverteilungen 258 Leistung 263 Nachführung 278 Richtung 261 Stärke 257 Windkraft 40, 255 Windkraftanlagen 271 Anlagenaufbau 279 Energieertrag 380 Ertrag 307 getriebelose 305 horizontale Drehachse 272 in Deutschland 41 Komponenten 273 Kosten 379, 387

Sachwortverzeichnis vertikale Drehachse 271 Wirkleistung 284, 288 Wirkungsgrad 16 Aufwindkraftwerk 137 Batterieladung 220 Biomasseproduktion 347 Brennstoffzelle 370 CEC (California Energy Commission) 237 Euro 236 Generator 325 Gleichspannungswandler 211 Kollektorkreis 132 konzentrierender Kollektor 148 Kraftwerke in Deutschland 16 Methanisierung 374 optischer 114, 146 Pumpspeicherkraftwerk 320 Solarkollektor 114 Solarzelle 188, 198 Turbine 324 Wasserkraftwerk 316 Wasserstofferzeugung 374 Wechselrichter 236 Windkraftanlage 265 zusammengeschaltete Turbinen 326 Wirtschaftlichkeitsberechnung 375 Kritik 398 mit Kapitalverzinsung 383 ohne Kapitalverzinsung 376

Z ZEBRA-Batterie 225 Zeigerdiagramm 291 Zeitkonstante des Speichers 126 Zellspannung 203, 219, 370 Zenitwinkel 71 zentrale Versorgung 54 Zentrifugalkraft 172 Zirkulationsverluste 121 Zonenziehverfahren 184 zweiachsige Nachführung 76 Zweidiodenmodell 194 Zwei-Grad-Ziel 29 Zweikreissystem 97, 98 Zweispeichersysteme 99